【化学课件】科学探究-分子与原子结构课件

科学探究分子与原子结构欢迎进入微观世界的探索之旅！在这个神奇的科学课件中，我们将深入了解构成所有物质的基本单位——分子与原子这是一个充满奥秘的微观领域，虽然我们无法用肉眼直接观察，但通过科学的方法和精密的实验，人类已经揭开了物质世界最深层的秘密课程内容导览1分子的基本特征2原子的结构模型探索分子的定义、性质和运动规律，了解分子是如何保深入学习原子的内部构造，从电子、质子到中子的精密持物质特性的最小微粒排列3科学探究实验元素周期与实际应用通过经典实验了解科学家是如何发现和证明微观粒子存在的物质的微观本质宏观认识的局限微观世界的真相我们用肉眼看到的物质似乎是连续的、完整的，就像一块实际上，所有的物质都是由极其微小的粒子构成的这些光滑的大理石或一杯清澈的水然而，这种连续性只是表微粒包括分子和原子，它们是构成物质世界的基本单位面现象当我们深入探究物质的本质时，会发现一个完全虽然我们无法直接看见它们，但它们的存在决定了物质的不同的微观世界所有性质分子的基本概念分子的定义极小的尺度分子是保持物质化学性质的最分子的质量和体积都极其微小微粒无论是水、氧气还是小，远超出我们日常经验的范二氧化碳，每种物质都有其特畴一个水分子的直径约为有的分子组成当我们说到一

0.28纳米，相当于把一米分成滴水时，实际上是在谈论数以十亿份后再取其中的不到三万亿计的水分子的集合体份这种微小程度令人难以想象数量的庞大尽管单个分子极其微小，但任何一小块物质中都包含着天文数字般的分子仅仅一滴水中就含有约

1.67×10²²个水分子，这个数字比地球上所有沙粒的总数还要多得多分子的运动特性永恒的运动分子从不停止运动，这是物质的基本性质之一即使在看似静止的固体中，分子也在不断地振动这种运动是分子固有的性质，不需要外力推动温度与运动速度温度实际上是分子平均动能的宏观表现当温度升高时，分子运动加快；当温度降低时，分子运动减慢这解释了为什么加热可以使物质发生状态变化不同状态的表现在气体中，分子运动最激烈，间距最大；在液体中，分子运动适中，可以流动；在固体中，分子只能在固定位置附近振动，保持相对稳定的排列分子结构的多样性水分子（H₂O）二氧化碳（CO₂）氧气（O₂）甲烷（CH₄）由两个氢原子和一个由一个碳原子和两个由两个氧原子组成的由一个碳原子和四个氧原子组成，呈V字氧原子组成，呈直线双原子分子，是维持氢原子组成，呈正四形结构这种特殊的型结构这种分子结生命必需的气体其面体结构这是最简结构使水具有极性，构使得二氧化碳在常简单的结构使其化学单的有机化合物，也能够溶解许多物质温下为气体状态性质相对活泼是天然气的主要成分水分子结构详解氢原子氧原子水分子中的两个氢原子，每个只含水分子的中心原子，含有8个质子、有一个质子和一个电子，是最简单8个中子和8个电子，决定了水的基的原子本性质键角结构共价键两个O-H键之间的夹角约为

104.5°，氢原子与氧原子之间通过共享电子形成V字形的空间结构对形成的化学键，非常稳定科学探究分子可以再分吗？科学推理观察现象既然分子可以分解产生不同的物质，那么分子本身必定由更小的微粒当我们对水进行电解时，会产生氢气和氧气，水分子似乎被分解了组成123提出疑问如果分子是最小的微粒，为什么还能继续分解？这促使科学家思考更深层的问题原子概念的历史起源古希腊的思辨公元前5世纪，古希腊哲学家德谟克利特首次提出原子概念，认为物质由不可分割的微小粒子组成这个词来源于希腊语atomos，意为不可分割虽然当时缺乏实验证据，但这个想法具有惊人的前瞻性近代科学复兴19世纪初，英国科学家道尔顿基于化学实验现象，重新提出了原子理论他认为每种元素都由特定的原子组成，不同元素的原子具有不同的质量和性质这标志着现代原子理论的诞生实验证实随着科学技术的发展，特别是19世纪末和20世纪初的一系列重要实验，如阴极射线实验、粒子散射实验等，逐步证实了原子的存α在，并揭示了原子的内部结构分子与原子的本质区别分子层面1保持物质化学性质的最小微粒原子层面化学变化中不可再分的微粒元素本质具有相同核电荷数的同一类原子分子由原子组成，而原子是化学变化中的最小单位在化学反应中，分子可以分解重组，但原子保持不变这种层次关系帮助我们理解物质世界的基本构造原理原子的基本构造原子核位于原子中心，集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量电子云电子在核外空间高速运动，形成电子云分布空间结构原子内部主要是空的，电子占据的实际空间很小这种结构就像一个微型的太阳系，但与太阳系不同的是，电子的运动遵循量子力学规律，呈现出波粒二象性的特征原子核的内部结构质子中子带正电荷的粒子，决定原子的元素不带电荷的中性粒子，与质子一起属性质子数等于原子序数，是元构成原子核中子数的变化形成同素身份的标志位素稳定性核力质子数与中子数的比例决定原子核强核力将质子和中子紧密结合在一的稳定性，影响元素的放射性起，克服质子间的电荷排斥力电子的分布与运动规律电子轨道电子不是沿着固定轨道运动，而是在特定的三维空间区域内高概率出现这些区域被称为原子轨道，具有不同的形状和能量能级分布电子按照能量高低分布在不同的能级上能级越高，电子距离原子核越远，能量也越大电子总是倾向于占据能量最低的轨道电荷平衡每个电子带一个单位的负电荷，正常原子中电子数等于质子数，使整个原子呈电中性状态当得失电子时，原子变成离子三种基本粒子的质量对比1836质子与电子质量比质子的质量约为电子质量的1836倍

1.007质子相对质量以原子质量单位u计算的质子质量

1.009中子相对质量中子质量略大于质子质量

0.0005电子相对质量电子质量在原子总质量中可忽略不计相对原子质量的概念标准的建立实际意义相对原子质量以碳-12原子质相对原子质量反映了原子的量的1/12作为标准，称为原实际质量大小，是化学计算子质量单位（u）这个标准的重要依据通过相对原子的选择使得大多数原子的相质量，我们可以比较不同原对原子质量接近整数，便于子的质量大小，进行定量分记忆和计算析应用价值在化学反应中，相对原子质量帮助我们计算反应物和产物的质量关系，是化学方程式配平和物质计量的基础同时也是元素周期表排列的重要参考元素与原子的对应关系元素的定义周期表的奥秘元素是具有相同原子核电荷数（即质子数）的一类原子的元素周期表按原子序数（核电荷数）递增排列，揭示了元总称每种元素都有其特定的原子结构，这决定了元素的素性质的周期性变化规律横行称为周期，纵列称为族基本性质目前已知的元素有118种，它们构成了宇宙中所同周期元素原子的电子层数相同，同族元素原子的最外层有物质的基础电子数相同原子核电荷数的重要性1核电荷数确定核电荷数等于原子核内质子的数目，这个数值决定了元素的身份2电子数平衡在中性原子中，核外电子数等于核内质子数，保持电荷平衡3化学性质决定最外层电子数决定元素的化学性质和反应规律典型原子结构比较元素质子数中子数电子数电子分布氢（H）1011s¹氦（He）2221s²锂（Li）3431s²2s¹铍（Be）4541s²2s²汤姆生的电子发现实验阴极射线管汤姆生使用真空玻璃管，观察从阴极发出的神秘射线电磁偏转射线在电场和磁场作用下发生偏转，证明带有负电荷电子发现确定这些粒子是原子的组成部分，命名为电子这一发现彻底改变了人们对原子不可分割的认识，开启了原子内部结构研究的新纪元汤姆生原子模型正电荷球体电子嵌入原子是一个均匀分布正电荷的球体，负电荷的电子像葡萄干一样嵌在正类似布丁的基体电荷布丁中模型局限电荷中和后来的实验证明这个模型并不正确，正负电荷相互平衡，使原子整体呈但开创了原子结构研究中性卢瑟福粒子散射实验α实验设计用粒子轰击极薄的金箔，观察粒子的散射情况粒子是带正αα电的氦核，具有较大的质量和能量，能够探测原子内部结构意外发现大多数粒子直接穿过金箔，少数发生小角度偏转，极少数发α生大角度散射甚至反弹这个结果完全出乎意料，推翻了汤姆生模型重要结论原子内部主要是空的，质量和正电荷集中在极小的核心这个核心被称为原子核，直径只有原子直径的万分之一卢瑟福核式原子模型原子核体积极小但集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量电子轨道电子在核外空间运动，类似行星绕太阳运转空间结构原子内部绝大部分是空的，核与电子间距离很大这个模型虽然在某些方面仍不完善，但正确地揭示了原子的基本结构特征，为后续的量子力学模型奠定了基础波尔原子模型与能级理论量子化轨道波尔提出电子只能在特定的圆形轨道上运动，这些轨道具有固定的能量值电子不能在任意轨道上存在，只能跳跃式地在不同能级间跃迁这解释了原子光谱的线状特征能量跃迁当电子从高能级跃迁到低能级时，会放出特定频率的光子；反之，吸收光子后电子会跃迁到高能级这种能量的量子化特征完美解释了氢原子光谱的精细结构模型发展波尔模型虽然成功解释了氢原子光谱，但对多电子原子的描述仍有局限它为现代量子力学原子理论的建立提供了重要的理论基础和实验验证电子排布的基本原则能量最低原理泡利不相容原理电子优先占据能量最低的每个原子轨道最多只能容轨道，从内层到外层依次纳两个自旋相反的电子填充这确保了原子处于这个原理限制了电子在轨最稳定的基态道中的排列方式洪德规则在相同能级的轨道中，电子会尽可能分占不同轨道，且自旋方向相同，以降低电子间的排斥能同位素与原子稳定性同位素概念稳定性差异具有相同质子数但不同中子数的原子称为同位素它们属不同同位素的稳定性取决于质子数与中子数的比例稳定于同一元素，化学性质基本相同，但物理性质可能差异很同位素能够长期存在，而放射性同位素会自发衰变，放出大碳-12和碳-14是最著名的同位素对，广泛应用于科学射线并转变成其他元素这种衰变现象在医学诊断和考古研究中学中有重要应用离子的形成机制中性原子失去电子原始状态下，原子中质子数等于电钠原子失去最外层的一个电子，形子数，整体呈电中性钠原子有11个成带正电的钠离子Na⁺，此时有11质子和11个电子个质子但只有10个电子获得电子静电吸引4氯原子获得一个电子，形成带负电正负离子通过静电引力结合，形成的氯离子Cl⁻，此时有17个质子但有稳定的离子化合物——氯化钠18个电子离子晶体的空间结构立方堆积配位数离子键强度周期性排列氯化钠晶体中，钠每个钠离子周围有6离子间的静电引力这种排列方式在三离子和氯离子按照个氯离子，每个氯很强，使得离子化维空间中周期性重立方密堆积方式排离子周围也有6个钠合物具有较高的熔复，形成宏观可见列，形成规整的晶离子，形成6:6配位点和沸点的晶体格结构分子间相互作用力范德华力氢键这是存在于所有分子间的普当氢原子与电负性很强的原遍作用力，包括色散力、诱子（如氧、氮、氟）相连时，导力和取向力虽然相对较会与另一个分子中的电负性弱，但对物质的物理性质有强的原子形成氢键这种特重要影响，如沸点和熔点的殊的分子间作用力解释了水高低的许多异常性质实际意义分子间作用力虽然比化学键弱，但决定了物质的聚集状态、溶解性、沸点等重要物理性质理解这些作用力有助于预测和解释物质的宏观行为不同类型原子的电子特征原子类型最外层电子电子得失倾典型性质数向金属原子1-3个易失去电子导电、导热、延展性非金属原子4-7个易获得电子绝缘、脆性、多样性稀有气体原8个（氦为2稳定不变化学惰性、子个）单原子分子分子与原子的立体模型展示立体模型帮助我们直观地理解分子的三维空间结构通过球棍模型，我们可以清楚地看到原子的相对大小、键长和键角，这些几何特征直接影响分子的性质和反应活性探索原子内部基本粒子世界夸克层次质子和中子由更基本的夸克组成基本相互作用强力、弱力、电磁力、引力支配粒子行为标准模型描述所有已知基本粒子和相互作用的理论框架现代物理学揭示，我们以为的基本粒子质子和中子，实际上还有更深层的结构这个发现表明，物质世界的层次性远比我们想象的更加复杂和精妙微观世界的尺度概念⁻10¹⁰原子直径（米）典型原子的直径大约为1埃，即10⁻¹⁰米⁻10¹⁵原子核直径（米）原子核比原子小10万倍，直径约为10⁻¹⁵米10²³阿伏加德罗常数1摩尔物质包含的粒子数，约

6.02×10²³个

99.9%原子空间占比原子内部

99.9%以上的空间是空的布朗运动微粒存在的直接证据观察现象1827年植物学家布朗观察到花粉颗粒在水中的无规则运动科学疑问这种持续不断的随机运动究竟是什么原因造成的？3分子碰撞解释爱因斯坦证明这是水分子不断撞击花粉颗粒造成的分子运动证据布朗运动成为分子不断运动的最直接证据化学变化中的原子守恒定律反应物原子以特定方式组合形成反应物分子键的断裂化学反应中分子内的化学键断裂新键形成原子重新排列组合形成新的化学键生成物原子重组后形成新的分子产物在化学反应过程中，原子的种类和数目保持不变，只是重新排列组合这个守恒定律是化学方程式配平和物质计量的理论基础常见分子的空间构型水分子（V型）甲烷（四面体）二氧化碳（直线型）H₂O分子呈V字形，CH₄分子呈正四面体键角

104.5°，由于氧结构，键角

109.5°，CO₂分子呈直线形，原子的孤对电子造成是最对称的分子构型键角180°，碳原子位于中心氨分子（三角锥）NH₃分子呈三角锥形，由于氮原子顶端的孤对电子影响原子结构对物理性质的影响导电性的原因磁性的微观基础金属原子失去外层电子形成电子海，这些自由电子在外物质的磁性源于原子内部电子的自旋和轨道运动铁、钴、电场作用下定向移动形成电流非金属原子的电子被紧紧镍等元素的原子具有未配对电子，使它们表现出铁磁性束缚，不能自由移动，因此不导电这种微观结构差异决而大多数物质的电子成对存在，相互抵消磁性，表现为抗定了宏观的导电性能磁性或顺磁性元素周期表的内在规律周期规律族的特征同一周期元素原子的电子层数相同，从同一族元素最外层电子数相同，化学性左到右原子序数递增质相似预测功能性质递变根据位置可以预测元素的性质和化学行原子半径、电离能、电负性等性质呈现为周期性变化相对原子质量的计算应用同位素组成大多数元素都存在多种同位素，每种同位素在自然界中的丰度不同例如，氯元素主要由氯-35（

75.77%）和氯-37（

24.23%）两种同位素组成相对原子质量需要考虑各同位素的贡献加权平均计算相对原子质量=各同位素相对原子质量×其丰度的加权平均值氯的相对原子质量=35×

0.7577+37×

0.2423=

35.48这个数值既不是35也不是37，而是两者的加权平均实际应用价值在化学计算中，我们使用元素的平均相对原子质量进行物质的量、摩尔质量等计算这个数值反映了自然界中该元素的真实质量分布情况，是定量化学分析的基础分子化学与现代材料科学碳纳米管由碳原子按六边形排列卷曲而成的管状结构，具有超强的机械强度和独特的电学性质，被誉为超级材料石墨烯单层碳原子构成的二维材料，厚度仅为一个原子，却具有钢铁百倍的强度和优异的导电性能分子医学通过设计特定分子结构的药物，实现对疾病的精准治疗，如靶向药物和基因治疗新能源材料分子级别的材料设计为太阳能电池、燃料电池和超级电容器提供了新的可能动手制作分子模型准备材料使用不同颜色的小球代表不同元素的原子氢用白色，碳用黑色，氧用红色，氮用蓝色用短棍或弹簧代表化学键连接原子构建分子按照分子式和结构要求组装模型先制作简单的双原子分子如H₂、O₂，再尝试三原子分子如H₂O、CO₂，最后挑战复杂分子如CH₄、NH₃观察比较通过模型观察分子的三维空间结构，理解键角、键长的概念比较不同分子的形状差异，思考结构与性质的关系拓展思考尝试制作更复杂的有机分子模型，如乙烷、乙烯等，观察单键、双键对分子形状的影响，加深对化学键本质的理解原子理论发展的科学家故事道尔顿（1766-1844）卢瑟福（1871-1937）英国化学家，提出近代原子理论他认为原子是不可分割的实心球新西兰物理学家，通过α粒子散射实验发现原子核，建立了核式原子模体，不同元素的原子质量不同型，被誉为核物理学之父123汤姆生（1856-1940）英国物理学家，发现电子并提出葡萄干布丁模型他的工作证明了原子是可以分割的课堂检测原子的基本组成题目分析原子的基本组成包括哪些粒子？原子由原子核和核外电子构成原子核包含质子和中子（氢原子A.只有质子和电子核除外），核外分布着电子因B.质子、中子和电子此完整的原子包含三种基本粒子C.只有质子和中子D.分子和离子答案正确答案B原子确实由质子、中子和电子三种基本粒子组成，它们分别承担不同的功能和作用课堂检测分子运动特征判断题答案解析

1.分子总是在不断运动的（）

1.正确-分子永不停息地运动是物质的基本性质

2.温度越高，分子运动越慢（）

2.错误-温度升高，分子运动加快

3.固体中的分子是静止不动的（）

3.错误-固体分子在平衡位置附近振动

4.气体分子间距离最大（）

4.正确-气体分子间距离远大于液体和固体课堂检测电子发现的实验基础核心问题汤姆生如何证明阴极射线是带电粒子？实验方法使用电场和磁场对阴极射线进行偏转实验关键证据射线在电磁场中的偏转方向和程度汤姆生通过测量阴极射线在不同强度电磁场中的偏转情况，计算出这些粒子的荷质比，证明它们是比氢原子小得多的带负电粒子，从而发现了电子课堂练习氢氧原子结构对比对比项目氢原子（H）氧原子（O）原子序数18质子数18中子数08电子数18电子层数12最外层电子数16相对原子质量116课堂练习离子形成过程分析中性原子状态钠原子11个质子，11个电子；氯原子17个质子，17个电子电子转移过程钠原子失去最外层1个电子给氯原子，实现电子转移离子形成结果Na⁺离子11个质子，10个电子；Cl⁻离子17个质子，18个电子这个过程使两种原子都达到稳定的电子构型，钠离子具有氖型电子构型，氯离子具有氩型电子构型，都是稳定的8电子结构。